Modelo cíclico

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Nos anos 1930, físicos teóricos, mais notavelmente Einstein, consideraram a possibilidade de um modelo cíclico para o universo como uma alternativa (eterna) para o "Big Bang". Entretanto, trabalho de Richard C. Tolman mostrou que este inicialmente falha por causa do problema da entropia. Em mecânica estatística a entropia somente aumenta por causa da segunda lei da termodinâmica. Isto implica que sucessivos ciclos têm de ser maiores e mais longos. Extrapolando no passado, ciclos antes do presente teriam de ser mais curtos e pequenos culminando em um Big Bang e então não o substituindo. Esta situação enigmática permaneceu for muitas décadas até o início do século XXI quando a recentemente descoberta do componente "energia escura" apresentou nova esperança para uma consistente cosmologia cíclica.

Um novo modelo cíclico é o modelo da cosmologia de branas de criação do universo, derivado do recente modelo ecpirótico. Ele foi proposto em 2001 por Paul Steinhardt da Princeton University e Neil Turok da Cambridge University. A teoria descreve um universo "explodindo na existência" não somente uma vez, mas repetidamente no tempo. A teoria poderia potencialmente explicar porque uma misteriosa forma de energia repulsiva conhecida como a "constante cosmológica", e a qual está acelerando a expansão do universo, é algumas ordens de magnitude menor que a predita pelo modelo padrão Big Bang.

Um diferente modelo baseado na noção de energia fantasma foi proposto em 2007 por Lauris Baum e Paul Frampton da University of North Carolina at Chapel Hill.

[editar] O modelo Steinhardt-Turok

Neste modelo cíclico, dois paralelos orbifolds planos ou M-branas colidem periodicamente num espaço dimensionalmente superior. O universo quadridimensional visível situa-se sobre uma destas branas. As colisões correspondem a uma reversão da contração para a expansão, ou um big crunch seguido imediatamente de um big bang. A matéria e radiação que nós vemos hoje seriam geradas durante a mais recente colisão num padrão ditado pelas flutuações quânticas criadas antes pelas branas. Eventualmente, o universo alcançou o estado que nós observamos hoje, antes do início de uma contração novamente muitos bilhões de anos no futuro. A energia escura corresponde a um força entre as branas, e fornece o papel crucial de resolver o problema do monopólo, o problema do horizonte, e o problema da planitude. Além disso os ciclos podem continuar indefinidamente no passado e no futuro, e a solução é um atrator, então pode fornecer uma completa história do universo.

Como Richard C. Tolman mostrou, o modelo cíclico inicial falhou porque o universo submeter-se-ia à inevitável morte térmica termodinâmica. Entretanto, o modelo cíclico escapa disto por ter uma expansão a cada ciclo, prevenindo a entropia de estabelecer-se. Entretanto, existem maiores problemas com o modelo. O primeiro deles é que as branas colidindo não são entendidas pelos teóricos das cordas, e ninguém sabe se o espectro da invariância de escala irá ser destruido pelo big crunch, ou o que ocorre quando duas branas colidem. Além disto, como a inflação cósmica, quando o caráter geral das forças (no cenário ecpirótico, uma força entre duas branas) requerido para criar as flutuações do vácuo é conhecido, não há um candidado da física de partículas. Ainda, o cenário usa algumas idéias essenciais da teoria das cordas, principalmente dimensões extras, branas e orbifolds. A teoria das cordas em si é uma idéia controversa em física.

[editar] O modelo Baum-Frampton

Este modelo cíclico mais recente, de 2007, faz uma diferente suposição técnica concernente a equação de estado da energia escura a qual relaciona pressão e densidade através de um parâmetro w. Assume w < -1 durante todo um ciclo, incluindo o presente. (Em contraste, Steinhardt-Turok supõe que w nunca é menor que -1.) No modelo Baum-Frampton, um trilhonésimo de trilhonésimo (ou menos) de segundo antes de se ter o "Big Rip" a virada ocorre e somente um padrão causal é mantido como nosso universo. O padrão genérico não contém quarks, léptons ou portadores de força somente energia escura e sua entropia desse modo desaparece. O processo adiabático da contração deste muito menor universo toma lugar com o desaparecimento da entropia constante e com nenhuma matéria incluindo qualquer buraco negro os quais se desintegram antes da virada.

A idéia que o universo "volta ao vazio" é uma nova idéia central deste modelo cíclico, e evita muitas dificuldades confrontando matéria em uma fase de contração tal como excessiva formação de estrutura, proliferação e expansão de buracos negros, tão bem como através de fases de transição reversas tais como recombinação, QCD e transições eletrofracas. Qualquer destes tenderia fortemente a produzir um indesejado rebote prematuro, simplesmente para evitar a violação da segunda lei da termodinâmica. A surpreendente condição w < -1 deve ser logicamente inevitável em uma cosmologia verdadeiramente cíclica e infinita por causa do problema da entropia. Não obstante, muitos cálculos são necessários para confirmar a consistência de tal aproximação. Embora o modelo tome idéias da teoria das cordas, não é necessariamente relacionada as cordas, ou a mais elevadas dimensões, embora tais dispositivos especulativos possam prover os mais favoráveis métodos para investigar a consistência interna. O valor de w no modelo Baum-Frampton pode ser arbitrariamente aproximado, mas deve ser menor que -1.

[editar] Modelos distintos

A missão Planck Surveyor deverá fornecer uma medida de w sem precedentes de precisão, dircobrir se w < -1 ou não, e desse modo resolver questões entre os modelos.